應力-滲流耦合下襯砌天角潭引水隧洞圍巖承載作用分析

甘曉潔

(海南省水利水電勘測設計研究院有限公司， 海口 570000)

1 概 述

我國抽水蓄能電站建設在早期剛起步階段時，設計的水頭比較小，大多不足100 m。近十幾年來，隨著我國抽水蓄能電站建設的發展，電站引水隧洞岔管P×D 值(水頭×直徑)越來越大，針對大直徑、高水頭壓力隧洞，工程中主要采用鋼板襯砌和鋼筋混凝土襯砌等結構型式[1-8]。其中，鋼板襯砌雖然防滲效果較好，但存在施工、運輸、焊接等困難，同時也存在造價高、易銹蝕、耐久性也難以保證等難題[9-10]。大量已建工程實踐和試驗表明，由于鋼筋混凝土的極限抗拉能力較低，在高水頭壓力作用下，鋼筋混凝土襯砌必然會開裂，當襯砌開裂寬度較小時，不會影響高壓隧洞正常運行[11-15]；然而，當襯砌的開裂寬度過大時，隧道可能會發生嚴重的滲水情況，影響隧道的正常運行，甚至影響工程安全。因此，高壓隧道采用鋼筋混凝土襯砌結構型式設計時，需要合理限制襯砌裂縫的開裂寬度。目前，透水限裂設計已成為高壓隧道襯砌的主流設計方法，被工程界廣泛接受和應用。

針對高壓隧洞襯砌限裂設計方法，目前對壓力隧洞襯砌裂縫計算的適用性較差，所得襯砌結構內鋼筋應力遠小于正常設計值，導致配筋結果偏大，工程費用較高。隨著工程實踐認識的不斷深入，雖然國內外許多學者針對壓力隧洞襯砌提出了多種裂縫計算公式，對高壓隧洞襯砌的限裂設計方法有了很大發展，但處于半經驗半理論階段。同時，由于高壓隧洞的環境條件與工作機理復雜，襯砌產生裂縫的原因錯綜復雜，影響因素也較多，對高壓隧洞襯砌裂縫開展規律的認識仍在探索中。因此，研究高壓隧道襯砌開裂與圍巖聯合作用規律，對于完善高壓隧道襯砌限裂設計理論，指導高壓隧道襯砌的合理設計具有重要意義。

2 工程概況

天角潭壩后生態電站進水采用壩式進水口，布置在5#壩段。根據下游水生態環境要求，采用分層取水方式，采用疊梁門通倉式進口結構，進水口底坎高程為24.0 m，壩體埋管采用一機一管。根據壩后電站以及生態引水要求，布置有1.2 m內徑+0.8 m內徑電站引水管和0.8 m內徑生態放空叉管。壩后式電站廠房布置在左河床靠左岸，廠房尺寸為37.0 m×25.68 m，安裝高程為16.43 m，裝機容量為1×500 kW+1×1 500 kW，總裝機容量2 000 kW，由主機間、安裝間及副廠房等組成。廠區地面高程21.20 m，下游校核洪水位22.78 m，廠區防洪墻墻頂24.70 m，防洪墻采用C30鋼筋砼扶壁式擋墻結構。

天角潭引水隧洞布置在左岸，由擋水壩上游左側橫穿左壩肩山體至下游水電站壓力鋼管進口，由進口閘室段、洞身段和出口段組成。在隧洞出口接壓力鋼管，壓力鋼管采用一機一管，分設2條DN1600岔管引入渠首發電廠房，另設一條D1600旁通管，分別放水入渠首電站尾水配水池及錐形閥消能調節后歸河，配水池出口連接渠首節制閘及泄水閘。引水隧洞為有壓洞，洞線總長為340 m，進水口底坎高程24.0 m，洞徑2.8 m。渠首電站布置在主壩下游左岸，為引水式廠房，廠房尺寸為44.80 m×24.74 m，安裝高程為25.24 m。引水隧洞由進口閘室段、洞身段和出口段組成。洞線總長為340 m，其中有壓隧洞身段均位于弱、微風化巖層。隧洞進出口與坡面基本正交，洞身于巖體中埋藏深為18～52 m。根據天角潭隧洞現場地質資料及相關參考資料可知，圍巖類別為Ⅱ 類，其工程物理力學參數見表1。混凝土襯砌為C30混凝土，彈性模量值為30 GPa，軸心抗壓設計強度17.5 MPa，抗拉設計強度1.75 MPa。

表1 圍巖物理力學參數

在進行數值計算過程中，主要包括以下工況：

1) 天然狀態：在隧洞埋深約500 m 情況下，并考慮自重應力以及水平主應力，模擬計算使模型達到天然初始應力狀態。

2) 施工開挖：在天然狀態基礎上進行洞室開挖，且開挖過程采用一次性開挖模擬。

3) 洞身排水：在施工開挖的基礎上，進行地下水的排放。

4) 施加支護：在開挖排水基礎上，進行鋼筋混凝土襯砌支護。

5) 隧洞充水：在鋼筋混凝土襯砌支護基礎上，對隧洞進行充水模擬，內水壓力大小由2 MPa 逐步增加至8 MPa。

3 高壓隧道鋼筋混凝土襯砌受力敏感性研究

3.1 圍巖等級的影響

在進行高壓隧道襯砌設計時，由于在高內水作用下，圍巖與襯砌之間會產生相互作用，圍巖的強度不僅影響圍巖自身的結構穩定，還會對襯砌結構產生影響。因此，取不同圍巖等級參數研究其影響規律，不同圍巖等級參數取值見表2。

表2 不同圍巖等級參數取值

3.2 圍巖等級對襯砌裂縫寬度的影響

圖1為在不同圍巖等級下隧洞充水過程中監測的襯砌裂縫最大寬度變化曲線圖。由圖1可知，隨著充水壓力的逐漸增大，每一類圍巖等級下的襯砌裂縫最大寬度也相應增長。當圍巖為 Ⅰ 類圍巖時，由于圍巖強度較高，襯砌裂縫的最大開度相對較小，最大寬度不超過 3 mm。隨著圍巖等級的提高，圍巖的強度逐漸減弱，導致襯砌裂縫最大寬度大幅度變大，尤其是在 Ⅳ 類圍巖情況下，襯砌裂縫最大寬度已經超過 10 mm。

圖1 不同圍巖等級下襯砌裂縫最大寬度變化曲線圖

3.3 圍巖等級對襯砌鋼筋受力的影響

圖 2為在不同圍巖等級下隧洞充水過程中監測的襯砌裂縫處最大鋼筋拉應力變化曲線圖。由圖2可知，與襯砌裂縫最大寬度規律相一致，隨著充水壓力的逐漸增大，每一類圍巖等級下的襯砌裂縫處最大鋼筋拉應力也相應增長。當圍巖為 Ⅰ 類圍巖時，最大鋼筋拉應力不超過 120 MPa。隨著圍巖等級的提高，最大鋼筋拉應力也相應大幅度提高，在Ⅳ類圍巖情況下，最大鋼筋拉應力接近240 MPa。

圖2 不同圍巖等級下最大鋼筋拉應力變化曲線圖

4 單雙層鋼筋的影響

在實際工程中，在進行高壓隧洞襯砌設計時，采用鋼筋混凝土襯砌較素混凝土襯砌能夠更有效地限制襯砌開裂。因此，在采用鋼筋混凝土襯砌情況下，分別模擬單層鋼筋與雙層鋼筋以探究其影響規律(不考慮鋼筋成本情況下))，單雙層鋼筋模型見圖3。模擬過程采用 cable 結構單元模擬鋼筋的受力特性，其參數取值見表3。

圖3 單雙層鋼筋模型圖

表3 鋼筋參數取值

4.1 單雙層鋼筋對襯砌裂縫寬度的影響

圖4為單雙層鋼筋下隧洞充水過程中監測的襯砌裂縫最大寬度變化曲線圖。由圖4可知，隨著充水壓力的逐漸增大，單雙層鋼筋下的襯砌裂縫最大寬度均相應增長。通過對比可發現，在每級充水壓力條件下，單層鋼筋情況下的襯砌裂縫均大于雙層鋼筋時的襯砌裂縫，因此采用雙層鋼筋一定程度上較單層鋼筋能夠更有效地限制裂縫張開。

圖4 單雙層鋼筋下襯砌裂縫最大寬度變化曲線圖

4.2 單雙層鋼筋對襯砌鋼筋受力的影響

圖5為在單雙層鋼筋下隧洞充水過程中監測的襯砌裂縫處最大鋼筋拉應力變化曲線圖。由圖5可知，隨著充水壓力的逐漸增大，單雙層鋼筋下的最大鋼筋拉應力均相應增長。通過對比可發現，在每級充水壓力條件下，單層鋼筋情況下的最大鋼筋拉應力均大于雙層鋼筋時的最大鋼筋拉應力，當內水壓力達到 8 MPa(外水壓力為 7.2 MPa)時，單層鋼筋情況下鋼筋最大拉應力約為150 MPa。

4.3 襯砌厚度的影響

在進行高壓隧洞襯砌設計時，襯砌厚度是一個重要的參數。因此，分別模擬襯砌厚度 t 為 40 cm、60 cm、80 cm 和 100 cm 不同情況下高壓隧洞充水后產生的影響。圖6為不同襯砌厚度情況下隧洞充水過程中監測的襯砌裂縫最大寬度變化曲線圖。通過圖6對比可知，在每級充水壓力條件下，隨著襯砌厚度的提升， 襯砌裂縫在內水作用下開裂的寬度反而降低，且4條不同變化曲線間的間隔較大， 說明襯砌厚度對襯砌裂縫的開裂程度影響較大。當內水壓力達到 8 MPa(外水壓力為 7.2 MPa)時，襯砌厚度為 40 cm 情況下裂縫最大寬度約為 4.3 mm，而襯砌厚度為 100 cm 情況下，裂縫最大寬度僅約為 2.3 mm，襯砌厚度增加能夠大大限制裂縫張開。

圖5 單雙層鋼筋下最大拉應力變化曲線圖

圖6 不同襯砌厚度情況下襯砌裂縫最大寬度變化曲線圖

4.4 襯砌厚度對襯砌鋼筋受力的影響

圖7為不同襯砌厚度情況下隧洞充水過程中監測的最大鋼筋拉應力變化曲線圖。由圖7可知，與襯砌裂縫寬度在不同襯砌厚度下規律相一致，在每級充水壓力條件下，隨著襯砌厚度的增加，襯砌裂縫處的鋼筋拉應力反而降低，且4條不同變化曲線間的間隔較大，說明襯砌厚度對襯砌裂縫處的鋼筋應力大小影響也較大。當內水壓力達到 8 MPa(外水壓力為 7.2 MPa)時，襯砌厚度為 40 cm 情況下鋼筋最大拉應力約為 170 MPa，而襯砌厚度為 100 cm 情況下，最大鋼筋拉應力僅約為90 MPa，襯砌厚度增加能夠大大降低裂縫處鋼筋軸向拉應力。

圖7 不同襯砌厚度情況下最大鋼筋拉應力變化曲線圖

5 結 論

本文主要采用基于面力理論和體力理論相結合的簡化模型模擬方法，分別模擬圍巖等級參數、襯砌單雙層鋼筋、襯砌厚度以及隧洞的洞徑大小對高壓隧洞充水過程中襯砌裂縫開裂情況以及鋼筋受力情況的影響。通過對比分析研究，結論如下：

1) 圍巖強度等級對鋼筋混凝土襯砌裂縫張開和鋼筋應力均產生重要影響，且圍巖等級越高，越能限制襯砌裂縫張開大小以及鋼筋應力。因此，在工程實踐中，盡量選擇圍巖等級較高的位置進行高壓隧洞限裂襯砌設計，這也符合限裂襯砌設計理念。

2) 不同襯砌厚度對裂縫張開程度以及鋼筋拉應力均影響較大，即襯砌越厚，襯砌整體結構強度提升越大，能夠較大程度上有效限制裂縫張開并降低裂縫處鋼筋拉應力大小。